Jadrová energia – Jadrové reakcie a rádioaktivita v ľudskom tele.
Hádam len nie sme rádioaktívni? Ale áno sme! A snáď nechcete povedať že v našom tele prebiehajú nejaké jadrové reakcie? A veru že áno!
Mnohí čitatelia si asi teraz povedia „To snáď nemyslíte vážne....“, Ale áno, myslím to úplne seriózne, smrteľne vážne. Je to tak.
Poďme teda od začiatku.... od nášho zloženia
Všetky fyzické objekty „sú vyrobené“ z molekúl. Molekula je skupina atómov spojených dohromady chemickými (elektromagnetickými) väzbami. Vo vnútri každého atómu je jadro, ktoré je súborom protónov a neutrónov spojených jadrovými väzbami.
Chemické reakcie sú vytváranie, lámanie a preskupovanie väzieb medzi atómami v molekulách. Chemické reakcie nemenia jadrovú štruktúru žiadneho atómu.
Naopak, jadrové reakcie zahŕňajú transformáciu atómových jadier.
Väčšina procesov, ktoré nás obklopujú v každodennom živote, sú chemické reakcie, a nie jadrové reakcie. Všetky fyzikálne procesy, ktoré prebiehajú na udržanie chodu ľudského tela (krv zachytávajúca kyslík, spaľovanie cukrov, konštruovanie DNA atď.), sú všetko vlastne chemické procesy, a nie jadrové procesy.
Ale aj jadrové reakcie sa skutočne vyskytujú v ľudskom tele, ale naše „telo ich nepoužíva“. Jadrové reakcie však môžu viesť k chemickému poškodeniu, ktoré si naše telo už môže všimnúť a pokúsiť sa ho aj napraviť. V princípe však nie je medzi „prírodnou“ a „umelou“ rádioaktivitou žiadny zásadný rozdiel.
Aké máme chemické prvky v ľudskom tele a načo tam sú?
Približne takmer 99% hmotnosti vášho ľudského tela tvorí iba 6 chemických prvkov: kyslík, uhlík, vodík, dusík, vápnik a fosfor. Ten zostatok – iba jedno percento - tvorí ďalších 5 prvkov: draslík, síra, sodík, chlór a horčík. Na množstvo kyslíka a vodíka a relatívne zloženie ostatných prvkov v našom tele má vplyv úroveň hydratácie, teda ľudovo náš pitný režim, koľko vypijeme vody.
Na obrázku periodickej tabuľky je možné vidieť percentuálne zloženie priemerného ľudského tela.
Napríklad kyslík predstavuje napríklad 65% hmotnosti tela, zatiaľ čo dusík predstavuje 3% atď. Väčšina vzácnych kovov sa v našom tele nenachádza v dostatočne zistiteľnom množstve. Ani vzácne plyny. Chýbajú syntetické rádioaktívne prvky, ale niekoľko prírodných rádioaktívnych prvkov, ako je rádium, tórium a urán, sa v nás nachádza v maličkých stopových množstvách.
Funkcia hlavných prvkov v našom tele:
Kyslík (O) – predstavuje až cca 65 % našej telesnej hmotnosti - Kyslíku máme najviac. V našom tele je hlavne vo forme vody, keď je naviazaný na vodík. Voda tvorí asi 60 % ľudského tela a podieľa sa na nespočetných metabolických reakciách. Kyslík funguje ako akceptor elektrónov a oxidačné činidlo. Nachádza sa vo všetkých štyroch hlavných triedach organických molekúl: bielkoviny, uhľohydráty, lipidy a nukleové kyseliny. Pretože je to kľúčový prvok v aeróbnom bunkovom dýchaní, veľké množstvo kyslíka sa nachádza v pľúcach a v krvi. Hemoglobín v krvi viaže molekulu kyslíka O2 z inhalovaného vzduchu. Kyslík používajú mitochondrie v bunkách na výrobu energetickej molekuly adenozíntrifosfátu. Zaujímavé je, že aj keď je kyslík pre ľudský život nevyhnutný, môže byť príliš veľa kyslíka pre človeka naopak smrteľné, pretože to môže viesť k oxidačnému poškodeniu buniek a tkanív.
Uhlík (C) – predstavuje v našom tele cca 18 % telesnej hmotnosti - Uhlík je druhým najpočetnejším prvkom v ľudskom tele a je považovaný za základ organickej chémie, pretože úplne každá jednotlivá organická molekula vo vašom tele uhlík obsahuje. Uhlík sa viaže sám na seba a vytvára reťazce a kruhové štruktúry, ktoré slúžia ako základ pre všetky metabolické reakcie v tele. Pri dýchaní vylučujeme uhlík vo forme oxidu uhličitého ako odpadový produkt.
Vodík (H) – predstavuje v ľudskom tele cca 10 % telesnej hmotnosti - Väčšina vodíka v ľudskom tele je viazaná na kyslík a vytvára vodu (H2O). Vodík sa rovnako ako uhlík nachádza v každej organickej molekule v tele. Vodík tiež pôsobí ako protón alebo pozitívny ión v chemických reakciách.
Dusík (N) – 3 % telesnej hmotnosti - Pretože väčšina vzduchu pozostáva z dusíka, plynný dusík sa pochopiteľne nachádza v pľúcach, ale zaujímavé je že takto sa do nášho tela neabsorbuje. Ľudia dostávajú dusík z potravy. Dusík je dôležitou zložkou aminokyselín, ktoré sú potrebné na tvorbu peptidov a bielkovín. Dusík je tiež nevyhnutnou súčasťou nukleových kyselín DNA a RNA a všetkých ďalších molekúl odvodených z dusíkatých báz.
Vápnik (Ca) - 1,4 % telesnej hmotnosti - Asi 99 % vápnika v tele sa nachádza v kostiach a zuboch, kde sa tento prvok používa na tvorbu silných štruktúrnych zlúčenín, ako je hydroxyapatit. Ale aj keď je drvivá väčšina vápniku v našich kostiach a zuboch, nie je to jeho najdôležitejšia funkcia v našom tele. Vápnik je predovšetkým dôležitý ión, ktorý sa používa pri kontrakcii svalov a regulácii bielkovín. Ak má ktorákoľvek kritická funkcia nedostatok vápnika, telo ho následne skutočne pre svoje potreby „vytiahne“ z kostí a zubov. To môže viesť k osteoporóze a ďalším problémom, preto je dôležité prijímať dostatok vápniku v potrave.
Fosfor (P) – 1 % telesnej hmotnosti - Rovnako ako vápnik, aj fosfor sa nachádza v kostiach a zuboch, ale zároveň aj v nukleových kyselinách a energetických molekulách, ako je ATP (adenozíntrifosfát).
Draslík (K) – je zastúpený v našom tele iba 0,25 %-ami - Elektrochémia v našom tele závisí od iónov. A z nich patrí katión draslíka medzi najdôležitejšie. Draslík „je používaný“ na vedenie nervovej sústavy a reguláciu srdcového rytmu. Všetky bunky v našom tele, aby správne fungovali, potrebujú draslík.
Síra (S) – aj tá má asi iba 0,25 % - Síra sa nachádza v niekoľkých dôležitých aminokyselinách, ktoré sa používajú na tvorbu bielkovín v tele. Síra sa nachádza v biotíne, metioníne, tiamíne a cysteíne.
Sodík (Na) - 0,15 % - Sodík je rovnako ako draslík nevyhnutným katiónom. Tento prvok je dôležitý pre nervový prenos a funkciu svalov.
Chlór (Cl) - 0,15 % - Chlór je zase dôležitý anión. Jednou z jeho funkcií je transport enzýmu ATPázy, ktorý sa používa na dodávanie energie pre biochemické reakcie. Z chlóru sa vyrába kyselina chlorovodíková, ktorá sa nachádza v žalúdku a trávi potravu.
Horčík (Mg) - 0,005 % - Horčík sa viaže na ATP a nukleotidy. Jeho katión je dôležitým kofaktorom pre enzymatické reakcie. Horčík sa používa na tvorbu zdravých zubov a kostí.
Medzi ďalšie stopové prvky v našom ľudskom tele patrí železo, fluór, zinok, kremík, rubídium, stroncium, bróm, olovo, meď a mnoho ďalších. Niektoré stopové prvky sú nevyhnutné alebo majú priaznivý účinok na telo, zatiaľ čo iné nemajú žiadnu známu funkciu alebo sa javia ako toxické.
Ako je to s rádioaktivitou?
Áno, naše telá sú prirodzene rádioaktívne, pretože jeme, pijeme a dýchame rádioaktívne látky, ktoré sa prirodzene a bežne vyskytujú v životnom prostredí. Tieto látky sú absorbované našim telom, tkanivami, orgánmi a kosťami a sú neustále doplňované požitím a vdýchnutím.
A ako je to s jadrovými reakciami?
Áno, v našich telách neustále prebiehajú jadrové reakcie, ale v porovnaní s chemickými reakciami je ich len veľmi málo a na náš organizmus príliš nepôsobia.
Existuje viacero typov jadrových reakcií, ale pre nás teraz postačia tri:
- 1. Jadrová fúzia: kde ide o spojenie dvoch ľahkých atómových jadier do jedného jadra.
- 2. Jadrové štiepenie: kde ide o rozdelenie jedného veľkého atómového jadra na menšie fragmenty.
- a 3. Rádioaktívny rozpad: kde sa jedná sa o zmenu menej stabilného jadra na stabilnejšie jadro.
Treba si tu uvedomiť, že jadrové štiepenie a rádioaktívny rozpad sa trochu čiastočne aj prekrývajú. Niektoré typy rádioaktívneho rozpadu zahŕňajú aj vznik jadrových fragmentov, a preto ich možno považovať za druh jadrového štiepenia. Na „naštartovanie“ jadrovej fúzie potrebujeme veľké množstvo energie. Z tohto dôvodu (zatiaľ) dochádza k jadrovej fúzii iba vo hviezdach, v supernovách, v jadrových bombách (na jadrovú fúziu), v experimentálnych jadrových fúznych reaktoroch, pri nárazoch kozmického žiarenia a v urýchľovačoch častíc. Podobne aj jadrové štiepenie vyžaduje veľkú energiu, alebo veľké množstvo (kritickú masu) ťažkých rádioaktívnych prvkov. Z tohto dôvodu sa významné jadrové štiepenie vyskytuje iba v supernovách, v atómových štiepnych bombách, v jadrových štiepnych reaktoroch, pri dopadoch kozmického žiarenia, v urýchľovačoch častíc ale aj v niekoľkých ložiskách prírodných rúd. Na rozdiel od tohto všetkého - rádioaktívny rozpad nestabilných jadier prebieha úplne automaticky, nie je k tomu potrebné už prakticky nič, a je preto oveľa bežnejší.
Ako to teda je?
Každý atóm má buď stabilné jadro, alebo nestabilné jadro, v závislosti od toho, aké je veľké a od pomeru protónov k neutrónom. Atóm je stabilný vtedy, ak sú sily medzi časticami, ktoré tvoria jadro, vyvážené. A nestabilný (rádioaktívny) atóm je vtedy, ak sú tieto sily nevyvážené; ak má jadro prebytok vnútornej energie. Nestabilita jadra atómu môže byť výsledkom prebytku neutrónov alebo protónov. Nakoniec sa transformujú do stabilnej formy rádioaktívnym rozpadom. Kdekoľvek existujú atómy s nestabilnými jadrami (rádioaktívne atómy), dochádza k jadrovým reakciám, ktoré prebiehajú prirodzene. Zaujímavosťou je, že malé množstvo rádioaktívnych atómov je všade: v stoličke na ktorej práve sedíme, v zemi, v jedle ktoré práve jeme, a áno aj v našom tele.
Rádioaktívny rozpad produkuje vysoko energetické žiarenie, ktoré v princípe môže naše telo aj poškodiť. Našťastie naše telá majú mechanizmy na odstránenie škôd spôsobených rádioaktivitou a žiarením vysokej energie skôr, ako to začne byť vážne. Pre bežného človeka, ktorý žije normálnym spôsobom, je toto množstvo rádioaktivity v tele tak malé, že telo nemá ťažkosti s odstránením všetkých škôd. Problém môže byť vtedy, keď úroveň rádioaktivity (množstvo jadrových reakcií v tele a okolo neho) stúpne príliš vysoko a telo „nedokáže držať krok s opravami“. V takýchto prípadoch môže dôjsť k popáleniu, chorobe, rakovine alebo dokonca k smrti. Vystavenie nebezpečne vysokej úrovni rádioaktivity je ale veľmi zriedkavé a obvykle sa mu dá vyhnúť dodržaním predpísaných noriem, či odporúčaní.
Medzi bežné príčiny vystavenia človeka vyššej úrovni rádioaktivity patria:
• Prirodzene sa vyskytujúci Radón v zemi. Všetky formy (izotopy) prvku radón sú rádioaktívne. Ale testovanie Radónu v domoch sa dnes už stalo štandardom.
• Profesionálna záťaž u zamestnancov pracujúcich v jadrových elektrárňach, alebo zariadeniach na výrobu jadrových zbraní. Tu však pomáhajú predchádzať nadmernému vystaveniu prísne pravidlá a osobné dozimetre.
• Profesionálna záťaž u zamestnancov pracujúcich v nemocniciach, kde je to podobné ako u ľudí z jadrových elektrární.
• A nakoniec u pacientov, ktorí sú prechádzajú lekárskym vyšetreniam a ošetreniam, ktoré využívajú rádioaktivitu riadeným spôsobom v boji proti chorobám.
Tu napríklad stačí už jeden lekársky „sken“, ktorý si vyžaduje pitie alebo injekciu rádioaktívneho indikátora, a už vtedy skutočne dočasne bude vo vašom tele viac jadrových reakcií, ako je obvyklé, aj keď ich úroveň bude samozrejme stále dostatočne nízka na to, aby nebola nebezpečná.
Aké rádioaktívne látky máme teda v sebe?
Prírodné rádionuklidy chemických prvkov, ktoré sa nachádzajú v ľudskom tele, sú: Urán-238, Urán-234, Tórium Th-232, Proaktínium-210, Olovo Pb-210, Draslík K-40, Rádium-226, Rádium-228, Trícium-3, Uhlík C-14, Berýlium-7, a Sodík Na-22.
Efektívna dávka žiarenia v dôsledku obsahu tela Draslíka K-40 je 0,165 mSv a v dôsledku rádionuklidov uránových a tóriových radov je to za rok 0,12 mSv. Žiarenie emitujú aj kozmogénne rádionuklidy ako Uhlík C-14, Sodík Na-22, Berylium-7 vrátane Trícia H-3, ktoré majú v ľudskom tele metabolické úlohy. Rádioaktivita Uhlíka C-14 je v referenčnom tele bežného človeka (cca 70 kg) asi 2700 Bq, čo spôsobuje pre organizmus vystaveniu sa ročnej efektívnej dávke 0,012 mSv. Ročné účinné dávky zo Sodíka Na-22, Trícia H-3 a Berýlia-7 sú 0,15 μSv, 0,01 μSv a 0,03 μSv. Celková celoročná efektívna dávka z rôznych prírodných rádionuklidov prítomných v našom ľudskom tele je teda sumárne asi 0,3 mSv. U žien a detí je dávka menšia, zhruba v pomere k ich menším telám.
Prítomnosť prírodných rádionuklidov sa môže líšiť podľa geografickej polohy kde sa nachádzame. Existuje niekoľko miest na Zemi, kde existuje intenzívnejšia prítomnosť niektorých rádionuklidov. Ďalej po celom svete existujú vulkanické oblasti, v ktorých sú niektoré prírodné rádionuklidy intenzívnejšie, takže ľudia, ktorí tam žijú, dostávajú cez svoje okolie vyššie priemerné množstvo rádionuklidov ročne ako na iných miestach Zeme. Napríklad na brazílskom pobreží je známa a vyhľadávaná lokalita „Guarapari“, kde je „monazitový“ piesok, ktorý má za určitých okolností na človeka terapeutické účinky; lenže tento piesok je prirodzene rádioaktívny, pretože obsahuje Tórium Th-232.
Niekto by sa teda oprávnene mohol aj opýtať:
Znamená to teda, že človek človeka navzájom ožarujeme? Že sme rádioaktívnym žiaričom?
Áno, je to presne tak!
Po prvé, všetky objekty samozrejme vrátane ľudských tiel vyžarujú určité elektromagnetické žiarenie! A vlnová dĺžka emitovaného žiarenia závisí od teploty „objektov“. Takéto žiarenie sa niekedy nazýva tepelné žiarenie. Väčšina žiarenia emitovaného ľudským telom sa nachádza v infračervenej oblasti, hlavne na vlnovej dĺžke 12 mikrónov. Vlnová dĺžka infračerveného žiarenia je medzi 0,75 až 1 000 mikrónov (1 mikrón = 10 - 6 metrov). Táto vlnová dĺžka je dlhšia ako vlnová dĺžka červeného viditeľného svetla, čo vysvetľuje názov „infračervené“ (čo v preklade znamená „za červenou“).
Množstvo tepelného žiarenia emitovaného objektom závisí od jeho povrchovej teploty, plochy a charakteristík. Teplejší objekt vyžaruje viac tepelného žiarenia ako chladnejší. Nakoniec teraz v období pandémie Covid-19 je to už dosť známe, pretože sú ručné (alebo automatické) infračervené teplomery používané na meranie teploty tela na rýchle zisťovanie cestujúcich na letiskách, v prístavoch a na hraničných priechodoch.
Ale ako sme už spomenuli, máme každý z nás v tele aj určité množstvo prirodzene sa vyskytujúcich rádionuklidov, takže z nás vyžaruje aj takéto žiarenie!
Prirodzene sa vyskytujúce rádionuklidy
Treba si uvedomiť, že prirodzená rádioaktivita sa vyskytuje vo všetkých potravinách (vzniká z rádioaktívnych izotopov Uhlíka-14 a Draslíka-40). Špecifická aktivita Uhlíka-14 je relatívne nízka; Draslík-40 však vedie k špecifickým aktivitám napríklad 40–50 Bq kg − 1 v kravskom mlieku, 400–500 Bq kg − 1 v sušenom mlieku, 600–800 Bq kg − 1 v koncentrovanej ovocnej šťave a viac ako 1 000 Bq kg − 1 v instantnej káve. Vystavenie človeka žiareniu je stanovené v zákonoch a vnútroštátne opatrenia sú spravidla založené na odporúčaniach Medzinárodného výboru pre rádiologickú ochranu (ICRP). Napríklad pitná voda prispieva k celkovej expozícii obyvateľstva veľmi malou dávkou žiarenia a je do značnej miery dôsledkom prirodzene sa vyskytujúcich rádionuklidov v sériách rozpadu uránu a tória. Na základe odporúčaní ICRP stanovila WHO smerné úrovne rádioaktivity v pitnej vode a dostupných údajov o vystavení riziku. V balených (fľaškovaných) vodách niektoré krajiny stanovujú limity pre rádionuklidy (napríklad v USA, Švédsku, Izraeli a Švajčiarsku).
Pred haváriou v Černobyľskej jadrovej elektrárni v roku 1986 malo veľmi málo krajín limity rádioaktivity pre potraviny, pretože hlavnou politikou bolo (a stále aj je) obmedzovanie emisií a odpadu rovno pri (jadrovom) zdroji, a prípadné udalosti potom riešia monitorovaním potravín a obyvateľstva. Kontinentálna kontaminácia potravín pochádzajúca z Černobyľu si však vyžiadala okamžité kroky a nakoniec vyústila do stanovenia limitov rádioaktívnej kontaminácie dovozu z krajín mimo jej členských štátov EÚ. Odvtedy sa úrovne kontaminácie znížili na zanedbateľné riziko pre zdravie a neskoršie pravidlá vylučujú rad výrobkov z rozsahu pôsobnosti pôvodného nariadenia. Pre kombináciu Cézia-134 a Cézia-137 v mlieku, mliečnych výrobkoch a špeciálnych potravinách pre kojencov existuje maximálna tolerancia 370 Bq/kg a pre ďalšie príslušné potravinové výrobky jedna úroveň 600 Bq/kg.
V roku 1999 EÚ stanovila postupy na vykonávanie kontrol obsahu rádio-cézia v potravinách a krajiny sa riadili nariadením EÚ po Černobyle. Dojčenská výživa, mlieko a mliečne výrobky a živočíšne potraviny patria v tomto ohľade k najviac regulovaným komoditám. EÚ tiež ustanovila nariadenie, ktorým sa ustanovujú najvyššie povolené úrovne rádioaktívnej kontaminácie potravín, ktoré by sa mohli uplatniť v prípade budúcej jadrovej havárie alebo inej rádiologickej havarijnej situácie, ktorá by mohla zahŕňať aj iné rádionuklidy ako Cézium.Nové nariadenie je Uznesenie Európskeho parlamentu z 15. februára 2011 o návrhu nariadenia Rady (Euratom) stanovujúceho najvyššie povolené hodnoty rádioaktivity v potravinách a krmivách, spôsobenej jadrovou haváriou alebo iným prípadom rádiologického núdzového stavu (prepracované znenie) (KOM(2010)0184 – C7-0137/2010 – 2010/0098(COD).
Väčšina zložiek telesného tkaniva bežne nevykazuje žiadnu rádioaktivitu, (pokiaľ nie sú externe excitované alebo ak sa nepodáva rádionuklid).
Dva prirodzene sa vyskytujúce rádionuklidy však v telesných tkanivách prebývajú.
Uhlík C-14 môže existovať v tkanivách tela v dôsledku prirodzeného obratu uhlíka v tele, aj keď jeho polčas je relatívne krátky.
Hlavnou látkou, ktorá produkuje prenikavé gama žiarenie, a ktoré môže unikať z nášho tela, je ale rádioaktívny izotop draslíka K-40. Tento rádionuklid tu „existuje od narodenia Zeme“ a je prítomný ako nepatrný zlomok všetkého draslíka v prírode (prirodzene relatívny výskyt je asi 0,01%) a v telesných tkanivách existuje.
A paradoxne, Draslík K-40, ktorý je zastúpený v našom tele iba jednou štvrtinou percenta (0,25 %) je primárnym zdrojom žiarenia z ľudského tela!
A to hneď z dvoch dôvodov:
Po prvé, koncentrácia K-40 v našom tele je relatívne dosť vysoká. Draslík prijímame v mnohých potravinách, ktoré konzumujeme, a je pre nás vlastne veľmi potrebný (dokonca lepšie povedané kriticky dôležitý) ako prvok pre správne fungovanie ľudského tela; a je prítomný v podstate vo všetkých tkanivách tela. Množstvo rádioaktívneho izotopu K-40 u „našej referenčnej“ osoby vážiacej 70 kg je asi 5 000 Bq, čo predstavuje 5 000 atómov, ktoré každú sekundu prechádzajú rádioaktívnym rozpadom.
Po druhé, draslík K-40 emituje gama lúče v niečo viac ako 10 percentách jeho rozpadu a väčšina z týchto gama lúčov uniká z tela. Gama lúč je emitovaný asi v jednom z každých 10 dezintegrácií K-40, čo znamená, že každú sekundu je vyprodukovaných asi 500 gama lúčov. Tie si pochopiteľne nevyberajú a nepreferujú žiadny smer, a budú sa pohybovať všetkými smermi, takže niektoré budú v tele oslabené a dávkový príkon z týchto gama lúčov mimo tela jednotlivca bude predstavovať veľmi malý zlomok normálneho dávkového príkonu pozadia zo všetkých prírodných zdrojov mimo nášho tela.
Čo je zaujímavé, ak ide o tučného človeka (pardon, spisovne aj je hmotnosť osoby nadpriemerná), bude dávka mimo tela tejto osoby pravdepodobne vyššia (!) ako dávka mimo tela osoby s nižšou hmotnosťou. V obidvoch prípadoch však bude dávkový príkon veľmi malý v porovnaní s normálnym dávkovým príkonom na pozadí. Relatívne ťažší (teda vlastne chudší) človek dostane väčšiu vnútornú dávku, pretože rozpad K-40 produkuje ďalšie nízko prenikajúce žiarenie (beta žiarenie), ktoré ukladá svoju energiu v tele. Ale celkovo dávka pre oboch sa však nebude výrazne líšiť, pretože energia uložená na jednotku telesnej hmotnosti je faktorom určujúcim dávku a bude približne rovnaká pre oboch jedincov.
Ako sme tiež už spomenuli – v našom ľudskom tele existuje aj veľa ďalších rádionuklidov, ale tieto sú buď prítomné v nižších hladinách ako je draslík K-40 (napríklad Urán-238, Tórium Th-232 a ich produkty rozpadu), alebo nevyžarujú gama lúče, ktoré môžu z tela uniknúť (ako napríklad Uhlík C-14 a Rubídium-87). Relatívne medzi ľuďmi dostatočne známy Radón (a jeho produkty rozpadu) nie je z ľudí (z ľudského tela) významným zdrojom žiarenia, pretože je v tele prítomný na veľmi nízkych úrovniach.
Existuje ešte jeden ďalší - veľmi malý mechanizmus, cez ktoré ľudské telo funguje ako zdroj žiarenia: a to, že niektoré z gama lúčov emitovaných rádionuklidmi v prostredí interagujú s atómami v našom tele takzvaným fotoelektrickým efektom. No a samozrejme výsledkom toho je potom emisia röntgenových lúčov týmito atómami.
Diamanty v ľudských očiach.
V našom tele (presnejšie v našom oku) môže vznikať ešte aj ďalší typ žiarenia. Niektorí pacienti s rádioterapiou (pri liečbe rakoviny hlavy, krku, alebo mozgových nádorov) radiačné pole v tesnej blízkosti očí uvádzajú, že počas liečby videli „záblesky“ modrého a bieleho svetla, a to aj vtedy, keď sú oči zatvorené. V podstate tie isté prejavy hlásili aj kozmonauti na palubách kozmických lodí MIR, Skylab a Apollo, pričom ich popisovali ako trblietanie diamantov. Zaujímavé je tiež, že frekvencia zábleskov bola odlišná podľa toho či boli na stacionárnej dráhe na Zemou, či leteli zo Zeme, alebo sa na Zem vracali. Tento efekt je známy ako „Čerenkovovo žiarenie“, ktorý je bežne možné vidieť v otvorenom jadrovom reaktore, alebo v bazéne vyhoretého jadrového paliva.
Čerenkovovo žiarenie je vytvárané vtedy, keď častica putuje cez médium a jej fázová (teda relatívna rýchlosť v danom prostredí) rýchlosť presahuje rýchlosť svetla; vzniká tzv. „fotonický boom“ svetla.
Kvantitatívne modely ukázali, že Čerenkovovo svetlo môže byť generované aj v ľudskom oku pri ionizujúcom žiarení ktoré prechádza cez sklovitý humor; pričom sietnica funguje ako svetelný senzor a mozog je potom schopný vnímať Čerenkovovu emisiu svetla vytvorenú vo vnútri oka. Spektrum Čerenkovovej emisie a intenzita signálu býva v celom oku do značnej miery homogénna, od rohovky po sietnicu, s miernym maximom blízko hĺbky 10 mm. Pozorovaním signálu bolo možné zachytiť emisiu takmer 2 500 fotónov za milisekundu, čo je viac ako 2 rády vyššie ako viditeľný prah detekcie.
Uhlík C-14, je vedľajší produkt kozmického žiarenia
Jadro Uhlíka C-14 obsahuje 6 protónov a 8 neutrónov, na rozdiel od 6 a 6 v bežnom Uhlíku C-12. Táto „nerovnováha“ robí z Uhlíka C-14 rádioizotop s polčasom rozpadu 5 700 rokov a žiarič beta častíc. Uhlík C-14, ktorý sa nachádza v prírode, sa neustále regeneruje kozmickými lúčmi dopadajúcimi na atmosféru. Rýchlosť, akou prebieha regenerácia, sa po stáročia prakticky nezmenila; vlastnosť, ktorá závisí od toku kozmických častíc bombardujúcich Zem a od sily magnetického poľa, ktorá ich dokáže odkloniť. Tento magnetický štít a v dôsledku toho aj tok častíc sa v priebehu času pomaly menil a spolu s ním sa menilo aj množstvo Uhlíka C-14 tvoreného na Zemi.
Uhlík C-14 a Draslík K-40
Spomenuli sme že najbežnejšie prírodné rádioaktívne izotopy u ľudí sú Uhlík C-14 a Draslík K-40. Chemicky sa tieto izotopy správajú presne ako stabilný uhlík a draslík. V priebehu času sa Uhlík-14 atómov rozpadá na stabilné atómy dusíka a Draslík K-40 atómov na stabilné atómy vápnika. Chemikálie v našom tele, ktoré „sa spoliehali“ na to, že majú na určitom mieste atóm Uhlíka-14 alebo Draslíka K-40, budú mať zrazu atóm dusíka alebo vápnika. Takáto zmena poškodzuje chemikáliu. Za normálnych okolností sú také zmeny také zriedkavé, že telo dokáže napraviť poškodenie alebo odfiltrovať poškodené chemikálie.
Koľko izotopov Uhlíka C-14 a Draslíka K-40 máme ľudskom tele?
Obsah Draslíka K-40 v tele možno získať z jeho prirodzeného množstva 0,0117% draslíka a výpočtu špecifickej aktivity prírodného draslíka (30,5 Bq g-1) pomocou polčasu rozpadu (1,28 x 10 na deviatu r.). Obsah draslíka v tele je 0,2 percenta, takže pre priemerného 70-kilogramového človeka bude množstvo 40K asi 4,26 kBq. Obsah Uhlíka C-14 v tele je založený na skutočnosti, že v prírode existuje jeden atóm C-14 na každých 1 000 000 000 000 atómov Uhlíka C-12 v živom materiáli. Pri použití polčasu 5 730 rokov sa získa špecifická aktivita 0,19 Bq/g uhlíka. Pretože uhlík predstavuje 23 percent telesnej hmotnosti, obsah tela C-14 pre osobu vážiacu 70 kg by bol asi 3,08 kBq.
Zatiaľ čo Draslík K-39 a Draslík K-41 majú stabilné jadrá, Draslík K-40 je rádioaktívny.
Známy prípad – rádioaktívne banány...
Aj keď skonzumujeme iba jeden banán, získame už merateľné množstvo rádioaktívneho Draslíka K-40. Koľko? Prirodzené množstvo Draslíka K-40 je iba 0,012% alebo približne 1 atóm z 10 000. Typický banán má približne 300 mg Draslíka. Preto s každým banánom, ktorý jeme, prijmeme približne 0,036 mg rádioaktívneho Draslíka K-40.
Meranie času pomocou Draslíka K-40
Od Draslíka K-40 k Argónu Ar-40. Záchyt elektrónov, ktorý spôsobí, že sa Draslík K-40 transformuje na Argón Ar-40 v základnom stave, sa uskutoční iba v 0,04% prípadov. Oveľa častejšie (10,68% času) vedie nepriame zachytenie k excitovanému atómu Argónu, ktorý sa musí vrátiť do základného stavu vyžarovaním gama lúča s energiou 1,46 MeV. Bez tohto charakteristického gama lúča by bolo nemožné zistiť a identifikovať rozpad Draslíka K-40. Ale neutrína emitované v týchto zachyteniach sa vymykajú detekcii a beta elektróny rozpadu na Vápnik Ca-40 (89,3% času) nie sú sprevádzané gama lúčmi a všeobecne sa absorbujú do média, v ktorom sa nachádzajú. Veľmi pomalý rozpad Draslíka K-40 na Argón je však veľmi užitočný pri datovaní hornín, napríklad lávy, ktorej vek sa pohybuje medzi miliónom a miliardou rokov. Rozpadom Draslíka na Argón vzniká plynný atóm, ktorý sa zachytáva v čase kryštalizácie lávy. Plynný atóm Argónu môže uniknúť, keď je láva stále tekutá, ale už nie po stuhnutí. Postupom času a rozpadom Draslíka K-40 sa plynné atómy argónu v láve veľmi pomaly hromadia, takže meranie množstva Argónu 40 vytvoreného od stuhnutia lávy umožňuje presné meranie doby stuhnutia.
Meranie času pomocou Uhlíka C-14
Prirodzený výskyt rozpadu Uhlíka C-14 v tele je základným princípom datovania uhlíka. Pokiaľ človek žije a stále prijíma potravu, každý atóm Uhlíka C-14, ktorý sa (v našom tele) rozpadne na atóm Dusíka, je v priemere nahradený novým atómom Uhlíka C-14. Ale akonáhle človek zomrie, tak sa rozpadajúce sa atómy Uhlíka C-14 prestanú nahrádzať. Vtedy sa atómy Uhlíka C-14 pomaly rozpadajú na Dusík „bez výmeny“, takže v mŕtvom tele človeka je stále menej a menej Uhlíka C-14. Rýchlosť, ktorou sa Uhlík C-14 rozpadá, je konštantná a dobre známa, takže meraním relatívneho množstva Uhlíka C-14 v kosti môžu archeológovia vypočítať, kedy osoba zomrela. Uhlík konzumujú všetky živé organizmy, takže datovanie uhlíkom je možné použiť na datovanie všetkých živých organizmov a akýchkoľvek predmetov vyrobených zo živých organizmov! Využívané je to hlavne v archeológii, kde je možné presne napríklad datovať kosti, drevo, kožu a dokonca aj papier, pokiaľ existovali za posledných 60 000 rokov.
A to je práve kvôli skutočnosti, že v živých organizmoch sa prirodzene vyskytujú aj jadrové reakcie!
A koľko izotopov Polónia Po-210 a Olova Pb-210 je v typickom ľudskom tele?
Podľa správy Vedeckého výboru OSN pre účinky atómového žiarenia (UNSCEAR) „Ionizujúce žiarenie: zdroje a biologické účinky“ je v ľudskom tele (v kostre) 70 percent obsahu Olova Pb-210. Správa UNSCEAR odhaduje typickú koncentráciu Pb-210 v kostre na 3 Bq kg-1, čo sa rovná celkovej skeletálnej aktivite 15 Bq pre 70 kg muža. Zvyšných 30 percent Pb-210 v tele, 6,4 Bq, by malo byť distribuovaných viac-menej rovnomerne do mäkkých tkanív. Celkový súčet Pb-210 v tele je teda 21,4 Bq. Koncentrácia Polónia Po-210 v kostre je oproti koncentrácii Olova Pb-210 podľa predpokladov uvedenej Správy UNSCEAR 80 %. Podľa nej (správy) je koncentrácia Po-210 v mäkkom tkanive 2,4 Bq/kg, čo pre človeka s hmotnosťou 70 kg predstavuje celkovú aktivitu Po-210 v kostre cca 12 Bq. V mäkkých tkanivách správa UNSCEAR predpokladá pomer medzi Po-210 a Pb-210 jedna k jednej. Preto aktivita Po-210 v mäkkých tkanivách bude asi 6,4 Bq. Celkový súčet Po-210 v tele by bol zrejme 18,4 Bq.
Fajčiari pozor!
Podľa predpokladov sa očakáva, že úrovne Po-210 a Pb-210 budú u žien nižšie ako u mužov a nižšie aj u detí ako u dospelých. Ale fajčiari majú vyššiu koncentráciu ako nefajčiari.
Zaujímavá kuriozita – meranie rádioaktivity ľudských vlasov.
Niektorí ľudia (hlavne v západných krajinách) si z rôznych dôvodov dávajú robiť rozbor vlasov a niektorí z nich boli veľmi prekvapení z výsledkov, ktoré naznačovali vysokú hladinu uránu v ich vlasoch. Určite je zaujímavé vysvetliť, že čo môže spôsobiť tento výsledok?
Po prvé treba vnímať, že pre urán vo vlasoch neexistujú všeobecne uznávané normy. Pozadie uránu vo vlasoch sa môže veľmi líšiť od človeka k človeku a taktiež od jedného regiónu k druhému regiónu, a taktiež do veľkej miery závisí od stravovacích faktorov, pretože väčšina uránu v našom tele pochádza z potravy, ktorú jeme.
Po druhé - Urán je prirodzene sa vyskytujúci, ťažký, kovový prvok, ktorý sa nachádza prakticky všade v prírode - v skalách, pôde, rastlinách a samozrejme aj v našich telách. Priemerný človek prijme každý deň asi 2 µg uránu v potrave a vo vode, ale iba veľmi malá časť z neho - rádovo 1 alebo 2 percentá - sa vstrebá do tela. Takže takmer všetok urán, ktorý prijmeme, sa nikdy nevstrebáva, ale vylučuje sa stolicou. Z toho malého podielu požitého uránu, ktorý sa absorbuje cez črevá, sa väčšina rýchlo vylúči močom a iba nepatrné množstvo sa vylúči vlasmi. To je úplne normálne. A vlasy rôznych ľudí – ale dokonca aj od tej istej osoby – môžu obsahovať rôzne množstvá uránu a to v závislosti od toho, koľko ich obsahuje voda a jedlo, ktoré ľudia pijú a jedia. Niektorí ľudia môžu mať vo vlasoch dokonca desať alebo stokrát väčšie množstvo uránu ako iní. Treba si uvedomiť aj to, že analýza uránu vo vlasoch nie je plne ani akceptovanou a ani spoľahlivou metódou na stanovenie obsahu uránu v tele. Urán je ťažký kov a vylučuje sa do vlasov a nechtov, ale analýza vlasov pre urán je vystavená mimoriadne vysokým chybám, pretože tieto analýzy tiež merajú urán, ktorý sa bežne nachádza aj v šampónoch, mydlách, vlasových obväzoch, farbách a vlasových kúrach rôznych typov. A keďže je urán vlastne prítomný všade v celom prostredí, mala by byť navyše získavaná vzorka vlasov veľmi starostlivo, a taktiež manipulácia, balenie preprava pod prísnou kontrolou, aby sa zabezpečilo, že nebude kontaminovaná kontaktom s inými materiálmi obsahujúcimi urán v životnom prostredí, ktoré by sa mohli preniesť na vzorku vlasov. No a samozrejme, ak nie sú analytické postupy dôsledne kontrolované a vykonávané s dôkladnou starostlivosťou môžu sa vyskytnúť vysoké chybné výsledky. V podstate povedané, nakoľko sú vzorky vlasov vždy malé, aj maličké množstvo kontaminácie uránom môže spôsobiť značne prehnaný a v podstate nesprávny výsledok.
Takže aký je záver?
Rádioaktivita je prirodzená vlastnosť prírody a sveta okolo nás. My sme toho súčasťou, takže áno, aj naše telá sú prirodzene rádioaktívne aj bez nášho ľudského pričinenia.
